Advanced Energy Materials:长江后浪推前浪–新兴催化材料提升锂-硫电池动力学

锂-硫电池由于具有高的能量密度(2600 Wh kg-1),硫自然储量丰富,环境友好的优势被认为是最具潜力的下一代高能量密度电池体系。但是锂-硫电池中多硫化锂(LiPSs)的“穿梭效应”被认为是阻碍锂-硫电池商业化进程的关键问题之一。近年来,借助中国传统神话故事“大禹治水”的思路,研究重点已经从阻止LiPSs的溶解和扩散转变为促进和诱导LiPSs向放电产物 Li2S之间的转化。这被认为是彻底抑制“穿梭效应”并且最大程度地实现锂-硫电池能量输出的根本途径。因此,设计合适的材料从而实现LiPSs的快速转化对于实现高性能锂-硫电池至关重要。过去几年中,研究者们对催化材料的设计和开发进行了大量探索,包括对LiPSs氧化还原具有高催化活性的金属、非金属、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物和异质结构。由于在锂-硫电池中对这些材料进行了广泛而深入的研究,因此我们可以将它们称为 “传统催化材料”。许多同行综述总结了这些材料在锂-硫电池中的最新进展,并提出了富有影响力和深刻见解的观点。在上述“传统催化材料”深入发展的同时,一系列新兴的催化材料也表现出了对促进LiPSs氧化还原反应动力学的巨大潜力,其中包括金属硼化物、金属磷化物、金属硒化物、单原子材料以及缺陷工程,我们将它们称为“新兴催化材料”。

为了获取研究者们对锂-硫电池中“新兴催化材料”的前瞻性研究进展,山东大学化学与化工学院熊胜林教授和奚宝娟副教授课题组最近在Advanced Energy Materials期刊上发表了题为”Emerging Catalysts to Promote Kinetics of Lithium-Sulfur Batteries”(DOI: 10.1002/aenm.202002893)的综述文章,系统地介绍了“新兴催化材料”的最新进展。同时,该综述全面总结了催化材料的评估方法和参数(CV,LSV,Tafel图,计时安培法成核曲线等)。最后,作者对高性能催化材料的合理设计和参数调控提出了有效的建议。作者认为,高效催化材料的开发和设计仍处于萌芽阶段,需要进一步对分子/原子水平上的化学相互作用进行探究。作者预计锂-硫电池中催化材料的快速发展将为钠-硫电池,锂-硒电池,硅-硫电池和其他相关储能系统提供实质性指导。

上述研究工作得到了国家自然科学基金(No. 21871164,21971145),山东省泰山学者计划(No. ts20190908,tsqn201812002)等基金的支持。